精密和超精密加工技术发展现状

精密和超精密加工技术发展现状摘要：精密和超精密加工技术的发展过程和现状，以及对于精密和超精密加工技术未来的展望。关键词：精密加工技术;超精密加工技术;非球面曲面超精密加工一引言国际上在超精密加工技术方面处于领先地位的国家有美国、德国和日本发达国家中，美国、日本、德国等在高技术领域（如国防工业、集成电路、信息技术产业等）之所以一直领先，与这些国家高度重视和发展精密、超精密制造技术有极其重要的关系。由于加工技术水平的发展，精密和超精密加工划分的界限逐渐向前推移，但在具体数值上没有确切的定义。被加工零件的尺寸精度在1.0～0.1μm，表面粗糙度Ra在0.1～0.03μm之间的加工方法称为精密加工。超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展超精密加工技术主要包括:超精密加工的机理,超精密加工的设备制造技术,超精密加工工具及刃磨技术,超精密测量技术和误差补偿技术,超精密加工工作环境条件。二国内外发展现状（一）国外发展现状国际上在超精密加工技术方面处于领先地位的国家有美国、英国和日本。美国最早成立了Nano研究中心,英国制订了NION(NationalInitiativeonNanotechnology)计划,日本制订了ERATO(ExploratoryResearchforAdvancedTechnology)规划等。美国率先发展超精密加工技术,20世纪80年代后期,美国通过能源部“激光核聚变项目”和陆、海、空三军“先进制造技术开发计划”,对超精密金刚石切削机床的开发研究,投入了巨额资金和大量人力,实现了大型零件的微英寸超精密加工。如美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室已经研制出一台大型光学金刚石车床(LargeOpticsDiamondTurningMachine,LODTM),是一台最大加工直径为1.63m的立式车床,定位精度可达28nm,借助在线误差补偿能力,它已实现了距离超过1m而直线度误差只有±25nm的加工。日本超精密加工技术水平较高,应用对象大部分是民用产品,包括办公自动化设备、视像设备、精密测量仪器、医疗器械和人造器官等。（二）国内发展现状国内真正系统地提出超精密加工技术的概念是从20世纪80年代~90年代初,由于航空、航天等军工行业的发展对零部件的加工精度和表面质量都提出了更高的要求,这些军工行业投入了资金支持行业内的研究所和高校开始进行超精密加工技术基础研究。由于当时超精密加工技术属于军用技术,无论从设备还是工艺等方面,国外都实施了技术封锁,所以国内超精密加工技术的开展基本都是从超精密加工设备的研究开始。由于组成超精密加工设备的基础是超精密元部件,包括空气静压主轴及导轨、液体静压主轴及导轨等,所以各家单位也正是以超精密基础元部件及超精密切削加工用的天然金刚石刀具等为突破口,并很快就取得了一些进展。哈尔滨工业大学、北京航空精密机械研究所等单位陆续研制了超精密主轴及导轨等元部件,并进行了天然金刚石超精密切削刀具刃磨机理及工艺研究,同时陆续搭建了一些结构功能简单的超精密车床、超精密镗床等超精密加工设备,开始进行超精密切削工艺实验。北京机床研究所研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器,如精度达0.025μm的精密轴承、JCS-027超精密车床、JCS-031超精密铣床、JCS-035超精密车床、NAM-800型纳米数控车床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动—位移测微仪等,达到了国内领先、国际先进水平。长春光机所曾经引进了RankPneumo公司的MSG—325CNC超精密车床,主要用于加工金属、光学零件,但该设备已经远远落后于国际水平。总之,我国目前在超精密加工的精度、效率、可靠性,尤其是在规格(大尺寸)和技术配套性方面与国外比,在生产实际要求上,还存在很大的差距。超精密加工技术的发展趋势是更高精度、更高效率,大型化、微型化;加工检测一体化;机床多功能模块化以及不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。非球面曲面超精密加工设备的研制成功是国内超精密加工技术发展的里程碑,非球面光学零件由于具有独特的光学特性在航空、航天、兵器以及民用光学等行业开始得到应用,从而简化了产品结构并提高了产品的性能。当时加工设备只有美国、日本及西欧等少数国家能够生产,国内引进受到严格限制而且价格昂贵,国家从“九五”开始投入了人力物力支持研发超精密加工设备。到“九五”末期,我国科研单位陆续研制成功代表当时超精密加工最高技术水平的非球面超精密切削加工设备,彻底打破了国外的技术封锁。之后其他各类超精密加工设备,如超精密磨削设备、离子束抛光设备、大口径非球面超精密加工设备(如图1所示)、自由曲面多轴超精密加工设备、压印模辊超精密加工设备等也陆续研制成功,缩小了超精密加工技术国内外的差距。同时由于有了超精密加工设备的支撑,在超精密加工工艺方面也有了很大进展,如ELID超精密镜面磨削工艺、磁流变抛光工艺、大径光学透镜及反射镜超精密研抛及测量工艺、自由曲面的超精密加工及测量工艺、光学薄膜模辊超精密加工工艺,超精密加工技术的应用领域也从军工行业转向了民用行业。三发展趋势（一）超精密加工技术将向极致方向发展随着科技的进步,对超精密加工技术已经提出了新的要求,如要求极大零件的极高精度、极小零件及特征的极高精度、极复杂环境下的极高精度、极复杂结构的极高精度等。美国国家标准计量局研制的纳米三坐标测量机(分子测量机)是实现如何在极复杂环境下的极高精度测量的典型例子,该仪器测量范围50mm×50mm×100μm,精度达到了1nm,对环境要求及其严格,最内层壳温度控制17±0.01℃,次层壳采用主动隔振,高真空层工作环境保持1.0×10Pa,最外层壳用于噪声隔离,最后将整体结构安装在空气弹簧上进行被动隔振。自由曲面光学曲面精度要求高、形状复杂,有的甚至无法用方程表示(如赋值曲面),但由于其具有卓越的光学性能近年来应用范围不断扩大,但自由曲面光学零件的设计、制造及检测等技术还有待于进一步发展。（二）超精密加工技术将向超精密制造技术发展超精密加工技术以前往往是用在零件的最终工序或者某几个工序中,但目前一些领域中某些零部件整个制造过程或整个产品的研制过程都要用到超精密技术,包括超精密加工加工、超精密装配调试以及超精密检测等,最典型的例子就是美国的美国国家点火装置(NIF)。为了解决人类的能源危机,各国都在研究新的能源技术,其中利用氘、氚的聚变反应产生巨大能源可供利用,而且不产生任何放射性污染,这就是美国国家点火工程。我国也开始了这方面的研究,被称为神光工程。NIF整个系统约有2个足球场大小,共有192束强激光进入直径10m的靶室,最终将能量集中在直径为2mm的靶丸上。这就要求激光反射镜的数量极多(7000多片),精度和表面粗糙度极高(否则强激光会烧毁镜片),传输路径调试安装精度要求极高,工作环境控制要求极高。对于直径为2mm的靶丸,壁厚仅为160μm,其中充气小孔的直径为5μm,带有一直径为12μm、深4μm的沉孔。微孔的加工困难在于其深径比大、变截面,可采用放电加工、飞秒激光加工、聚焦离子束等工艺,或采用原子力显微镜进行超精密加工。系统各路激光的空间几何位置对称性误差要求小于1%、激光到达表面时间一致性误差小于30fs、激光能量强度一致性误差小于1%等。如此复杂高精度的系统无论从组成的零部件加工及装配调试过程时刻都体现了超精密制造技术。结束语从大到天文望远镜的透镜,小到大规模集成电路等微纳米尺寸及特征零件的制造,超精密加工技术从发展之初一直面临着不断的挑战。当前精密超精密加工技术在不断研究新理论、新工艺以及新方法的同时,正向着高效、极致等方向发展,并贯穿零部件整个制造过程或整个产品的研制过程,向精密超精密制造技术发展。随着我国精密超精密技术的不断发展和进步,必将实现从制造大国向制造强国的飞跃。参考文献[1]刘文英.精密和超精密加工机床的现状与发展[J].设备管理与维修,2017.08D.59.[2]周甚.精密超精密加工技术综述[J].科技风,2016,09.[3]李复丽.超精密机械加工技术及其发展动向[N].山东工业技术,2016年24期.[4]王桂林.现代机械制造工艺及精密加工技术[J].现代制造技术与装备,2016年09期.[5]周甚.我国机械技术的现状与发展[J].科技风,2016年09期.[6]孙璐莹.超精密机械加工的前景分析[J].通讯世界,2015年08期.[7]杨辉,高效、极致——精密超精密加工技术的发展与展望[J].航空制造技术,2014年11期.[8]黄庆林,张伟,张瑞江.现代机械制造工艺与精密加工技术.科技创新与应用,2013年17期.[9]谭加.超精密加工技术浅谈[J].科技创新与应用,2012年17期.[10]王云鸽,彭志君.精密与超精密加工技术发展现状分析[J].产业与科技论坛,2011年23期.